激光技术总结课件.ppt

1、激光(laser)是受激辐射光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)的缩写。爱因斯坦在1917年研究黑体辐射时，曾预言受激辐射的存在，直到1960年，梅曼制成世界上第一台激光器红宝石激光器。证明了爱因斯坦预言的正确性。Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 即Laser，按照其意义来说应当为：“受激辐射的光放大”。形象的音译为“镭射”，在1964年，根据钱学森的建议，将其改称为“激光”。这也就是我们目前最常见的称呼了。激光的发展过程 远在189

2、3年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。19171917年年,爱因斯坦爱因斯坦:可通过受激辐射方式发光可通过受激辐射方式发光.激光是在激光是在1960年正式问世的。但是，激光的历年正式问世的。但是，激光的历史却已有史却已有100多年。多年。1958年 美国贝尔实验室的科学家肖洛和汤斯发现了一种奇怪的现象：当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。由此他们提出了“激光原理”，受激辐射可以得到一种单色

3、性、亮度又很高的新型光源。汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。1960年年 1960年，美国人梅曼(T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。在此以后在此以后,在激光器品种方面在激光器品种方面,几乎每几乎每年都有新的、关键性的重大突破年都有新的、关键性的重大突破.1961年年 在美国贝尔实验室，伊朗物理学家贾万研制出了世界上的第一台氦氖激光器。另外，另外，61年年8月，中国科学院长春光学月，中国科学院长春光学精密机械研究所由王之江教授负责研制精密机械研究所由王之江

4、教授负责研制成功了成功了我国第一台红宝石激光器我国第一台红宝石激光器，比世界上第一台只晚了比世界上第一台只晚了18个月。个月。“中国中国激光之父激光之父”。1962年年：研制成功第一台半导体激光器。1963年年：第一台液体激光器 1964年年：锁模激光器 1965年年：激光参量振荡器研制成功 1966年年：制成染料激光器 1967年年：超短脉冲激光器 到目前为止，激光器的品种已达数千种到目前为止，激光器的品种已达数千种之多之多.一、激光的基本原理 1粒子的能级 组成物质的原子、分子等粒子总是处于一定的能态或能级，能量最低的能态称为基态，其它能量较高的状态称为激发态。基态是最稳定的状态，通常多数

5、粒子处在基态上，当一粒子获得一定的能量跃迁到某一激发态时，它在激发态上停留的时间一般很短，其平均寿命大约在10-910-7秒。2辐射跃迁的三种基本过程光与物质的相互作用有三种基本过程，这就是光的吸收、自发辐射和受激辐射。1)吸收：假设E1、E2为某个粒子的两个能级，如图所示。一个处在较低能级E1上的粒子，吸收一个能量hn=E2-E1的光子，跃迁到较高的能级E2上，这一过程称为光的吸收。受激吸收受激吸收E1E2hv=E2-E12)自发辐射：处在高能级上的粒子可以自发地辐射光子而跃迁到较低的能级，这种过程称为自发辐射。如图所示，自发辐射光子的能量hn=E2-E1。自发辐射发出的光子的传播方向、振动

6、方向、初相位彼此无关。特点 3)受激辐射：处在高能级E2上的粒子，在一个外来的能量为hn=E2-E1的光子的诱发下，跃迁到能量较低的能级E1，同时释放出一个与诱发光子完全相同的光子的过程称为受激辐射。受激辐射发出的光子的频率、传播方向、振动方向、初相位与诱发光子相同。特点 受激辐射发出的光子是同方向、同频率、同相位、同偏振的。即受激辐射的结果是入射一个光子，而出射的却是完全相同的两个光子，即光被放大了。这两个光子又会引起其它原子产生受激辐射。于是在极短的时间内激发出无数个同样的光子。这便是激光。光学谐振腔光学谐振腔在工作物质两端安装一对严格平行的反射镜可以“光放大”。二.激光器 1.激光器的结

7、构 实现粒子数反转工作物质使原子被激发激励装置 实现光放大光学谐振腔2.激光器的分类按产生激光的工作物质的物态特性分类固体激光器 红宝石激光器掺钕钇铝石榴石激光器.对治疗青光眼特别有效.气体激光器 氦氖激光器,当今世界用的最多.氩离子激光器:可用其进行眼科手术,是焊接视网膜的理想光源.半导体激光器 砷化镓激光器:体积小,输出波长在红外区，所以保密性好，适合用于军舰、飞机和坦克上。液体激光器 以液体染料为工作物质的染料激光器于1966年问世,广泛应用于各种科学研究领域。现在已发现的能产生激光的染料,大约在500种左右。这些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它们还可以包含在有机塑料中以固态

8、出现，或升华为蒸汽，以气态形式出现。所以染料激光器也称为“液体激光器”。染料激光器的突出特点是波长连续可调。燃料激光器种类繁多,价格低廉,效率高,输出功率可与气体和固体激光器相媲美,应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。化学激光器 如：氟原子和氢原子“死光武器”原子激光器 1997 美国 麻省理工学院钠原子 X射线激光器 在科研和军事上有重要价值，应用于激光反导弹武器中具有优势；生物学家用X射线激光能够研究活组织中的分子结构或详细了解细胞机能;用X射线激光拍摄分子结构的照片,所得到的生物分子像的对比度很高。自由电子激光器 这类激光器比其他类型更适于产生很大功率的辐射。它的工作机制与众不同，它从加

9、速器中获得几千万伏高能调整电子束，经周期磁场，形成不同能态的能级，产生受激辐射.世界第一台自由电子激光器于1977年问世，中国第一台自由电子激光器于1985年问世。自由电子激光器的能量是由外场加速后的自由电子的动能转换而成的。其输出功率可达很高水平，在加工、反导、雷达、通信、光化学等方面都有很大的用途，所以它一问世就受到各国科技界的重视。几种激光器CO2激光器 夏普公司发布了笔记本电脑蓝光或HD DVD光驱使用的蓝紫色半导体激光器GH04020A4G。其直径仅3.3mm，是世界上最小的蓝光光头。三.激光的特性特性：1.方向性好，2.亮度高、强度大，3.单色性好，4.相干性好，5.偏振性好。普通

10、光源的发光机理是自发辐射，就好象拥挤的人群从刚散场的电影院走出，男女不一、高矮各异、衣着万千；人们有的向东，有的向西，杂乱无章。而激光的发射机理是受激辐射，就好象是解放军的仪仗队，身体整齐、衣着统一、步调一致、向着一个方向前进。1.方向性好激光是受激辐射发光，且有光学谐振腔，使得激光基本上沿谐振腔的轴线方向传播，发散角很小（可10-7弧度），接近于平行光。地球地球月球月球38万公里万公里激光：激光：1公里公里而最好的普通光源：而最好的普通光源：1000多公里多公里光斑直径光斑直径发散面积相差：发散面积相差：100万倍万倍激光微激光微光束光束手术刀，能方便的对细胞、染色体、手术刀，能方便的对细胞

11、、染色体、遗传基因等进行切割、穿孔、移植、焊接等手术。遗传基因等进行切割、穿孔、移植、焊接等手术。1960年世界上第一台红宝石激光器问世后，年世界上第一台红宝石激光器问世后，1961年即用年即用于治疗视网膜脱落，于治疗视网膜脱落，1963年激光光刀用于肿瘤切割。年激光光刀用于肿瘤切割。70年代医用激光治疗机在临床各科得到广泛应用。激光以年代医用激光治疗机在临床各科得到广泛应用。激光以其特有的优越性能解决了许多传统医学的难题。视网膜其特有的优越性能解决了许多传统医学的难题。视网膜剥离眼底血管病变、虹膜切开、青光眼等一大批眼科疾剥离眼底血管病变、虹膜切开、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治疗。激光

12、手术刀具有术中出血少，可减患均能用激光治疗。激光手术刀具有术中出血少，可减少细菌感染等优点。激光与中医针灸术结合而形成的少细菌感染等优点。激光与中医针灸术结合而形成的“光针光针”，对镇痛、哮喘、遗尿、高血压等有一定疗效。，对镇痛、哮喘、遗尿、高血压等有一定疗效。l应用应用：激光微光束技术激光微光束技术应用：激光针 优点:“扎针”时没有疼痛.可避免滞针、断针、交叉感染应用：激光测距 测月，误差：1m应用：激光雷达 能自动精确跟踪飞机、导弹、卫星等高速飞行体应用：激光制导武器 命中率大大提高2.亮度高 应用1:激光武器 在军事领域，激光能量提高，可以制成摧毁敌机和导弹的光武器。应用2:激光致盲武器

13、 因为激光的能量集中在很小的角度内，所以，因为激光的能量集中在很小的角度内，所以，作为光源，其亮度很高。作为光源，其亮度很高。如：一台几毫瓦的氦氖激光器的亮度比太阳如：一台几毫瓦的氦氖激光器的亮度比太阳光的亮度高几百倍；一个较亮一点的激光的亮光的亮度高几百倍；一个较亮一点的激光的亮度比太阳表面的亮度还要高度比太阳表面的亮度还要高100亿倍。亿倍。激光作为武器，有很多独特的优点。首先，它可以用光速飞行，每秒30万公里，任何武器都没有这样高的速度。它一旦瞄准，几乎不要什么时间就立刻击中目标，用不着考虑提前量。另外，它可以在极小的面积上、在极短的时间里集中超过核武器100万倍的能量，还能很灵活地改变

14、方向，没有任何发射性污染，因而具有常规威慑力量。激光武器分为三类：一是致盲型。二是近距离战术型，可用来击落导弹和飞机。1978年美国进行的用激光打陶式反坦克导弹的试验，就是用的这类武器。三是远距离战略型。这类的研制困难最大，但一旦成功，作用也最大，它可以反卫星、反洲际弹道导弹，成为最先进的防御武器。激光武器的效费比是比较高的。在防空武器方面，当前主体是导弹，激光武器与之相比消耗费用要便宜得多。例如，一枚“爱国者”导弹要6070万美元，一枚短程“毒刺”式导弹要2万美元，而激光发射一次仅需数千美元，今后随着技术的发展，激光发射一次的费用可降至数百美元。机载激光武器机载激光武器(ABL)(ABL)，

15、ABLABL的目标是研制装的目标是研制装在经过改造的波音在经过改造的波音747747飞机上安装激光飞机上安装激光武器，用于从高空攻武器，用于从高空攻击敌方的战区弹道导击敌方的战区弹道导弹。弹。应用1:激光光波拍频技术 可用来测量极其缓慢的速度(每秒移动几个微米).拍摄鲜花的绽放过程.应用2:激光测长 可用光波波长作为单位进行测量,这种光尺测量准确，光的单色性越好,测量的最大长度越大.3.单色性好单色性好单色性最好的氪灯：单色性最好的氪灯：510-4 nm红色氦氖激光：红色氦氖激光：110-8 nm波长波长谱线宽度：谱线宽度：630760红外红外紫外紫外蓝蓝青青绿绿黄黄橙橙红红紫紫nm白光白光:

16、4.相干性好 物理学中常用“相干长度”来表示光的相干性,光源的相干长度越长,光的相干性就越好.钠光钠光：约为约为0.058cm;单色性最好的单色性最好的 普通光源普通光源氪灯氪灯:38.5cm；激光激光：几十几十几百几百km 普通光源发出的自然光普通光源发出的自然光,其相干长度其相干长度与光与光波波长具有相同的数量级；波波长具有相同的数量级；应用1：引发核聚变 利用激光的相干性，将其能量会聚在空间极小的区域内，可用于引发核聚变。例：若把核燃料做成比芝麻还小的固体微型小球，然后用激光作为点火器去照射它，就可使微型小球加热到上亿摄氏度的高温，产生的能量密度高达1015J/cm3。这样高的能量密度相

17、当于几十吨炸药在1m3体积内爆炸所产生的能量，达到了原子爆炸时的超高能量密度的数量级。应用2：激光全息技术 而全息照相术不仅在底片上记录物光的而全息照相术不仅在底片上记录物光的强弱强弱情况，同时还要把物光的情况，同时还要把物光的相位相位记录下来，即把记录下来，即把物光的所有信息全部记录下来，并通过一定的物光的所有信息全部记录下来，并通过一定的手续，手续，“再现再现”出物体的立体图像。出物体的立体图像。由于全息照片记录了景物光波的全部信息，所由于全息照片记录了景物光波的全部信息，所以再现出来的景象和原来的一模一样。全息照以再现出来的景象和原来的一模一样。全息照片再现出来的景象是如此逼真，使人产生身临片再现出来的景象是如此逼真，使人产生身临其境之感其境之感。普通照相术，是把从物体表面反射的光或普通照相术，是把从物体表面反射的光或物体本身发出的光（统称物光）的物体本身发出的光（统称物光）的强弱强弱变化变化记录在底片上，再在照相底片上显示出物体记录在底片上，再在照相底片上显示出物体的平面图象。的平面图象。1.激光打孔激光打孔激光技术在工业中的使用激光技术在工业中的使用2.激光切割激光切割3.激光焊接激光焊接4.4.激光热处理激光热处理5 5.激光微调激光微调6.激光雕刻激光雕刻7.7.快速成型快速成型